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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen umfassend
mindestens einen Anteil an Magnesium oder einer Magnesiumlegierung
sowie mindestens einen Herstellungsschritt, in dem ein Thixomolding
erfolgt.
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Der
Werkstoff Magnesium ist aufgrund seines niedrigen E-Moduls, des
hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie der mangelnden
Verschleißbeständigkeit
für bestimmte
Anwendungsfälle
wie zum Beispiel Kolben in Kraftfahrzeugmotoren oder andere Aggregatkomponenten
insbesondere von Motoren nicht ohne weiteres verwendbar. Die genannten
Eigenschaften lassen sich jedoch positiv beeinflussen, indem der Werkstoff
mittels einer zweiten, üblicherweise
deutlich festeren und härteren
Phase verstärkt
wird. Verwendung dafür
finden üblicherweise
keramische oder kohlenstoffbasierte Kurz- oder Langfasern beziehungsweise Partikel.
Diese können
bei einer schmelzmetallurgischen Herstellung entweder in Form eines
porösen
Formkörpers
(sog. Preform), der mit flüssiger
Metallschmelze infiltriert wird, oder im Falle von Partikeln auch
durch Einrühren
in die metallische Matrix eingebracht werden. Eine weitere Möglichkeit,
einen metallischen Werkstoff durch Fasern oder Partikel zu verstärken, besteht
in der Selbst- oder auch „in
situ"-Bildung der verstärkenden Komponente.
Neben den genannten schmelzmetallurgischen Verfahren lassen sich
metallische Verbundwerkstoffe auch pulvermetallurgisch erzeugen.
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Bei
der Verwendung von Preforms als infiltrierbare Formkörper hat
sich das Pressgießen
(Squeeze casting) als bevorzugtes Gießverfahren etabliert. Hierbei
wird bei etwas geringeren Formfüllgeschwindigkeiten,
aber etwas höheren
Drücken
als beim klassischen Druckguss das schmelzflüssige Metall in den porösen Faser-
oder Partikelkörper
eingepresst. Dabei wird ein nahezu porenfreier Verbundwerkstoff
mit geschlossenen Faser-Matrix-Anbindungen
erzeugt.
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Beim
Einrühren
werden üblicherweise
keramische Partikel als lose Schüttung
der bewegten Metallschmelze durch Einrieseln oder Einblasen zugeführt. Verbundwerkstoffschmelzen
dieser Art können
direkt in Form von Gussstücken
oder Barren vergossen werden. Beim in-situ-Verfahren entsteht der Verbundwerkstoff durch
eine Reaktion zwischen zwei oder mehreren Legierungselementen der
metallischen Matrix oder Phasen des Gesamtsystems meist unter Bildung
einer neuen, in der Regel intermetallischen Phase.
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Die
Herstellung und Charakterisierung des Systems Mg-Mg
2Si
ist mehrfach beschrieben worden. Es wird zum Beispiel auf die Offenbarung
der
DE 41 25 014 A1 verwiesen.
Die Entstehung der intermetallischen Phase im Sinne einer Verstärkung kann
dem in-situ-Prozess
zugeordnet werden. Meist geschieht dies durch Infiltration Si-Partikel-haltiger
Faserpreforms oder durch Ausscheiden primären Magnesiumsilizids aus übereutektischen
Mg-Si-Legierungen. Während
sich beim primären
Ausscheiden nach Unterschreiten der Liquiduslinie grobe, blockförmige Mg
2Si-Ausscheidungen bilden, formt sich das
Mg
2Si bei der reaktiven Umsetzung des Rein-Si
in einer Preform globular ein. Euktektisch ausgeschiedenes Mg
2Si wiederum zeigt in der Regel die charakteristische „Chinesenschrift"-Struktur.
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Die
DE 101 35 198 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen durch Thixomolding,
die neben anderen Elementen auch einen Anteil an Silizium enthalten
können.
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Beim
Thixomolding-Prozess wird das metallische Material als Granulat
der Thixomolding-Maschine zugeführt und
innerhalb eines beheizten Zylinders durch eine Transportschnecke
in Richtung der Spritzdüse bewegt.
Unter Wirkung der Scherkräfte
und der Temperatur, die zwischen Liquidus- und Solidustemperatur
des Metalls liegt, verflüssigt
sich dieses teilweise, während
sich der verbleibende Feststoffanteil globular einformt. Das Verhalten
des thixotropen Materials ist strukturviskos, das heißt die Viskosität sinkt
mit zunehmender Scherwirkung. Das Thixomolding eignet sich vor allem
für die
Herstellung sehr dünnwandiger
Bauteile mit hoher Maßhaltigkeit,
da es aufgrund des günstigen
Temperaturniveaus zwischen Liquidus und Solidus kaum zu Schwindungs-
und Verzugserscheinungen kommt.
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Nachteile
der oben genannten Verfahrensrouten zur Herstellung von metallischen
Verbundwerkstoffen liegen im Falle der Preforminfiltration in der
aufwändigen
Anlagentechnik, der eingeschränkten
Gestaltungsfähigkeit
, dem Fasergehalt der Preforms sowie deren hohem Kostenniveau. Komplexe
Geometrien sind derzeit kaum oder nur unter erhöhtem technischen und finanziellen
Aufwand realisierbar, so dass eine Net-Shape-Herstellung faser- oder partikelverstärkter Bauteile
durch Infiltration derzeit kaum möglich ist. Dies hat in der
Regel einen relativ hohen Bearbeitungsaufwand zur Folge, der sich
bei der Verwendung keramischer Hartphasen als Verstärkungen
schwierig und kostenintensiv darstellt, da zum Beispiel die Bearbeitung
eines mit SiC- oder Al2O3-
Fasern verstärkten Körpers nur
mittels diamantbesetzter Werkzeuge möglich ist. Überdies ist die Infiltrationsfähigkeit
von Preforms mit hohen Faser- und Partikelgehalten im klassischen
Druckguss nicht ohne weiteres gegeben, bevorzugt wird hierfür das Verfahren
des Pressgießens
(Squeeze casting) angewendet, wofür wiederum spezielle Gießanlagen
notwendig sind. Die Schwierigkeiten, die sich bei der Infiltration mittels
Druckguss ergeben können,
haben ihre Ursache vornehmlich in der hohen Füllgeschwindigkeit des Verfahrens
und dem geringen Druck, der über
die Schmelze aufgrund des kleinen Anschnitts ausgeübt werden kann.
Dieser wird jedoch benötigt,
um die normalerweise sehr geringe Benetzungsneigung zwischen metallischer
Schmelze und keramischem Formkörper
zu überwinden.
Darüberhinaus
muss die Preform deutlich über die
Schmelzetemperatur erwärmt
werden, um ein vorzeitiges Erstarren der Schmelze am Faserkörper zu
vermeiden.
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Das
Verfahren des Einrührens
ist in erster Linie den partikelförmigen Verstärkungen
vorbehalten, da die Verwendung von Fasern zu einer starken Viskositätserhöhung der
Schmelze führen
kann, die eine homogene Verteilung der Fasern sehr erschwert oder
sogar unmöglich
macht. Im Falle von Partikeln ist das Rührergebnis abhängig von
der verwendeten Partikelgröße, der
Rührerdrehzahl
und der Temperatur. Ungenügende Parameterwahl
kann zu Verklumpungen, Ausschwemmungen der Partikel in die Schlacke
oder deren Sedimentation am Tiegelboden führen. Handelt es sich bei Partikeln
und Schmelze um ein reaktives System, treten unter Umständen aufgrund
der langen Kontaktzeit zwischen beiden Phasen Umsetzungsreaktionen
an den Grenzflächen
ein, die eine Schädigung
der Partikel zur Folge haben. Beispiel hierfür ist etwa das System Magnesium – Aluminiumoxid,
hier wird bei der Reaktion zwischen beiden Partnern unter Zersetzung
der Partikelsubstanz Magnesiumoxid und Aluminium gebildet.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen der eingangs
genannten Gattung zur Verfügung
zu stellen, welches die Herstellung von Leichtmetall-Verbundwerkstoffen
insbesondere für
den Einsatz in temperaturbelasteten Bauteilen ermöglicht,
welches variabler und kostengünstiger
als die bislang bekannten Verfahren ist und die mit diesen verbundenen
obengenannten Nachteile vermeidet.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen der eingangs genannten Gattung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß erfolgt
die Herstellung des Leichtmetall-Verbundwerkstoffs im Thixomolding-Verfahren,
wobei in eine Metallmatrix eine Mg2Si-Phase
mit einem Volumengehalt von mindestens 2 % eingelagert wird.
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Die
besonderen Vorteile des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der Kombination des Thixomoldingverfahrens mit
dem Verfahren zur in-situ-Erzeugung eines metallischen Verbundwerkstoffes.
Erfindungsgemäß sollen
Mg-Mg2Si-Verbundwerkstoffe
mit einem Volumengehalt von mindestens 2 % Mg2Si
hergestellt werden, vorzugsweise indem ein Granulat des Siliziums
oder einer Siliziumlegierung und ein Granulat des Magnesiums oder
einer Magnesiumlegierung gemeinsam dem Thixomolding-Prozess zugeführt werden
und dort unter Scherung eine zumindest teilflüssige Schmelze bilden, die
in Form eines Magnesiumkörpers
erstarrt. Vorteile des Verfahrens sind die große Bandbreite der einstellbaren Volumengehalte
an Mg2Si, die Möglichkeit, auf Faser- oder
Partikelpreforms verzichten zu können
und über die
Größe und die
Menge der Si-Partikel die Menge und Größe der sich bildenden Mg2Si-Kristalle bestimmen zu können, wodurch
sich wiederum Eigenschaften wie der thermische Ausdehnungskoeffizient,
das E-Modul, die Zug- und
Dehngrenze sowie das Verschleißverhalten
individuell verändern
lassen. So sind Si-Gehalte
einstellbar, die schmelzmetallurgisch nicht herstellbar sind. Der
so vergossene Werkstoff kann nachfolgenden Umformoperationen wie
etwa einem Schmiedeprozess zugeführt
werden.
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Vorzugsweise
stellt man in dem erfindungsgemäßen Thixomolding-Prozess
einen gegossenen Körper aus
dem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff her, der anschließend weiter
verarbeitet wird. Insbesondere wird der gegossene Körper anschließend in
mindestens einem Verfahrensschritt umgeformt. Ein solcher Umformprozess
kann beispielsweise mindestens ein Schmiedeverfahren umfassen.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind weiterhin Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin die Verwendung von nach
einem Verfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis
11 hergestellten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen
zur Herstellung von Bauteilen für
Kraftfahrzeuge. Vorzugsweise sind dies Kraftfahrzeugbauteile aus
Leichtmetall-Verbundstoffen, die hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt
sind, beispielsweise Motorenteile wie Kolben oder dergleichen.
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Die
in den Unteransprüchen
genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurden, können
beispielsweise zur Herstellung von Kolben oder anderen Motorenteilen
für mit
Dieselkraftstoff oder Benzinkraftstoff betriebene Motoren verwendet
werden. Die Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe
eignen sich weiterhin beispielsweise zur Herstellung von Laufbuchsen
für Wellen,
Zylinder und andere rotationssymmetrische Teile, insbesondere in
Motoren. Sie sind weiter geeignet zur Herstellung von anderen auf
Verschleiß beanspruchten
Kraftfahrzeugteilen wie zum Beispiel Bremsscheiben.
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Der
Volumengehalt der Mg2Si-Phase in der Metallmatrix
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 5 und etwa 40 Volumenprozent
Die erfindungsgemäßen Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe
sind beispielsweise erhältlich
ausgehend von Standardlegierungen wie AZ91, AM50, MRI230D, MRI253M
oder anderen Mg-Druckgusslegierungen, die eine Zugabe von Si erhalten.
Wesentlich ist dabei die Reaktion 2 Mg + Si → Mg2Si.
Im Rahmen der Erfindung kommt eine Zugabe von mindestens etwa 2
Gewichtsprozent Si und vorzugsweise maximal etwa 15 Gewichtsprozent
Si in Betracht. Die daraus resultierenden Volumenprozentanteile
an Mg2Si sind in der nachfolgenden Tabelle
1 aufgelistet, die beispielhafte Anteile Mg2Si-Phase
in dem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff wiedergeben.
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Tabelle
1 Zugabemengen
von Si in wt.-% und die daraus resultierenden Mengen in Volumenprozent
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Mg2Si ist eine vergleichsweise hochschmelzende
Phase mit einem Schmelzpunkt nahe 1.100 °C. Damit eignet sich diese Phase
als Verstärkung
zur Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften des Matrixwerkstoffes.
Dies betrifft sowohl das Kriechverhalten als auch Kennwerte wie
die thermische Leitfähigkeit
und auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Neben anderen
physikalischen und mechanischen Eigenschaften lassen sich diese
Werte gezielt im Hinblick auf eine Anwendung einstellen. Die genauen
Zahlenwerte hängen
dabei unter anderem sowohl von der Basislegierung, dem Volumenanteil
an Mg2Si, weiteren Ausscheidungen in der
Matrixlegierung, als auch von der Einsatztemperatur bzw. dem Einsatztemperaturbereich
ab. Diese Daten sind für
die jeweilige Anwendung jeweils experimentell zu ermitteln.
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Ein
weiterer Einflussfaktor ist die Ausprägung der Mg2Si-Ausscheidungen. Üblicherweise
trifft man sie als sogenannte „chinese
script"-Ausscheidungen
an, d. h. als nadelförmige
Ausscheidungen, die hinsichtlich ihrer Gestalt sehr an chinesische
Schriftzeichen erinnern. Durch die Zugabe von Legierungselementen
wie z. B. Ca entstehen jedoch primäre polygonale Ausscheidungen,
die sich wie eine Partikelverstärkung
verhalten. Beide Ausscheidungstypen wirken sich zudem auch auf mechanische
und physikalische Eigenschaften aus.
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Bei
der Herstellung von Halbzeug aus den erfindungsgemäßen Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen
wirken sich die bei der Weiterverarbeitung gewählten Parameter maßgeblich
auf das Eigenschaftsprofil aus. Erfolgt eine Umformung beispielsweise
durch Strangpressen, dann führt
die Ausrichtung von Ebenen der Mg-Kristallite parallel zur Strangpressrichtung
zu einer Anisotropie. Die Größenordnung
der Anisotropie ist von verschiedenen Faktoren abhängig, insbesondere
von dem Umformverhältnis,
der Temperatur im Werkzeug, der Vorwärmung, Wärmeführung nach dem Verpressen und
somit der dynamischen und statischen Rekristallisation. Die Legierungszusammensetzung
einschließlich
des Einflusses an Verunreinigungen ist dabei ebenfalls ein beeinflussender
Faktor.
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Parameter für die Herstellung:
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Die
Temperaturführung
bei der Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
steht in direktem Zusammenhang mit der ausgewählten Legierung, dem Schussgewicht
und dem Werkzeug, insbesondere dessen Bauteilgeometrie, Anguss etc.,
der Geometrie von Schnecke und Zylinder beim Thixomolding, der Vorschubgeschwindigkeit
und auch der Schussgeschwindigkeit. Diese Parameter müssen für jedes
Bauteil jeweils empirisch ermittelt werden und sind dabei auch von
der Bauart der Maschine und deren Datenprofil abhängig. Gleichermaßen hängen die
Eigenschaften auch vom Festphasenanteil ab. Dieser beeinflusst die
mechanischen Eigenschaften der Matrixlegierung allein wie auch die
des Verbundwerkstoffes, d. h. der Kombination aus Matrix und Verstärkung.
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Hinsichtlich
des Flüssigphasenanteils
bedeutet die Reaktion 2 Mg + Si → Mg2Si, dass zwar die Legierungen schneller
einen hohen Anteil an Flüssigphase
aufbauen, es jedoch gleichzeitig zu einem steigenden Anteil an Festphase
durch die Bildung von Mg2Si kommt. Die Reaktion
läuft nicht
nur im Bereich Zylinder-Schnecke der Thixomolding-Maschine ab, sondern
kann auch nach dem Abguss im Werkstück ablaufen. Vor allem in Bereichen
mit Materialanhäufungen
ist mit diesem Verhalten zu rechnen. Unter Umständen ist daher ein Nachdruck
erfolgreicher aufbringbar, da sich durch die exotherme Reaktion
immer noch ein Teil an Matrixlegierung in der schmelzflüssigen Phase
befindet. Diesbezügliche
Rückschlüsse lassen
sich durch Untersuchung von metallographischen Schliffen gewinnen.
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Hinsichtlich
der Matrixlegierung spielt das Schmelzintervall eine große Rolle.
Beispielsweise sei die Legierung AZ91 aufgeführt, deren Schmelzintervall
im Bereich von 440 bis 600 °C
liegt. Aus der Literatur ist bekannt, dass für diese Legierung ein hoher
Anteil an Flüssigphase
im Bereich von 95 % zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
im Bauteil führt.
Bei einem derartigen Flüssigphasenanteil
kann man von einer unterkühlten
Schmelze reden. Nach dem Einspritzen in das Werkzeug ist bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
daher eine hohe Keimbildungsrate die Folge bei gleichzeitig sehr
hoher Anzahl von Keimen. Dies führt
zur Ausprägung
eines sehr feinen Gefüges,
das aufgrund der Hall-Petsch-Beziehung
sehr gute mechanische Eigenschaften aufweist. Bedingt durch die
Unterkühlung
der Schmelze ist zudem die Schwindung insgesamt sehr gering. Sie
ist um so geringer, je geringer der Anteil an Flüssigphase ist. Dies bedeutet
gleichzeitig, dass im Vergleich mit Druckguss weniger innere Spannungen
und damit auch weniger Verzug auftritt.
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Im
Zusammenhang mit der Zugabe von Si kommt es zu einer exothermen
Reaktion zwischen Mg und dem Si beim ersten Auftreten von Schmelze.
Dies bedeutet, dass die Heizleistung der Maschine verringert werden
kann. Eine Größenordnung
hierfür
ist abhängig
von verschiedenen Parametern, insbesondere von der Umgebungstemperatur,
der thermischen Isolierung der jeweils verwendeten Maschine wie
auch den thermischen Leitfähigkeiten
der verschiedenen beteiligten Komponenten (Werkstoffe). Gerade im
Bereich von Wärmeübergangskoeffizienten
bei erhöhten
Temperaturen in einem geschlossenen System, wie es eine Thixomolding-Maschine
darstellt, sind die Zusammenhänge
sehr komplex.
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Die
Korngröße der Granulate
ist in der Regel keine bestimmende Größe. Je nach Maschine und ausgewähltem Bauteil
kann dann jeweils eine andere Schneckengeometrie gewählt werden.
Die Korngröße und die
Kornform muss dabei auf die Schneckengeometrie abgestimmt werden.
Dies ist völlig
unabhängig
von der Legierung oder dem Verbundwerkstoff. In der weiteren Folge
muss das Korngrößenverhältnis Mg-Si
abgestimmt sein. Dies ist jedoch in der Regel nur sinnvoll für eine zuvor
festgelegte Schneckengeometrie.
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Die
Zugabe von Granulat kann beispielsweise durch eine einfache Fördervorrichtung
gleichzeitig oder kurz nach der Granulataufgabe (beide Werkstoffe
sind noch fest) erfolgen, die zusätzlich an der Maschine angebracht
werden kann. Dabei kann grundsätzlich
eine Maschine herkömmlicher
Bauart verwendet werden, wie sie beispielsweise von den Firmen Thixomat
oder Japan Steel Works am Markt erhältlich ist.